fotonica

fotonica

fotònica s. f. – Settore dell'ottica che studia la possibilità di controllare flussi di fotoni, e in partic. di realizzare dispositivi analoghi a quelli elettronici ma utilizzanti fotoni anziché elettroni. La f. è un elemento trainante per l’innovazione tecnologica e una delle più importanti tecnologie per i mercati del 21° sec.; il suo impatto economico esorbita dalla semplice crescita dell’industria fotonica in termini di componenti, sistemi e oggetti di consumo ottico. Il mercato mondiale (diretto) della f. è rivolto in cospicua parte alle tecnologie dell’informazione e a quelle della comunicazione. Tuttavia se ne trovano esempi quotidiani in numerosi settori e tecnologie chiave: i lettori CD, le macchine videoregistratrici, le stampanti laser, i laser-scanner, la visione nei robot, il trattamento laser dei materiali, la diagnostica laser, la chirurgia laser, i telefoni e le televisioni su fibre ottiche, i radar laser, alcuni sistemi innovativi di illuminazione.

Applicazioni. – Nella comunicazione, agli inizi del 21° secolo la trasmissione di grandi quantità di informazioni avviene su fibra ottica e la tendenza è arrivare ad avere tutto il collegamento fino all’utente su questo mezzo. Le reti ottiche hanno aperto la strada a una comunicazione digitale (per es., Internet, ecc.) praticamente illimitata. I flussi di informazione e di dati crescono rapidamente; nei futuri sistemi ottici si potranno avere bande cento volte maggiori di quelle attuali. Interruttori ottici ancora in fase di studio possono aumentare la velocità di comunicazione di ordini di grandezza. Codici basati sull’impiego di differenti lunghezze d’onda permettono già ora di allargare la capacità delle fibre ottiche nelle comunicazioni e dell’immagazzinamento ottico e si pensa in futuro di aumentare queste capacità di un fattore da 10 a 1000, permettendo di produrre, in quest’ultimo caso, dischi ottici con capacita del terabyte. L’olografia permette di mantenere l’informazione in un materiale sensibile alla luce mediante una figura d’interferenza prodotta da laser. Il disco olografico accumula i dati in tre dimensioni permettendo enormi vantaggi in capacità e velocità di accesso. Può così essere sviluppato un trattamento veloce di immagini ottiche con enorme quantità di informazione grafica, potenzialmente a velocità e capacità che sono stimate da 100 a 1000 volte maggiori del trattamento elettronico convenzionale, e con interconnessioni ottiche, trattamento di segnali digitali e videocompressione in tempo reale. Modulatori integrati a silicio sono capaci di trasmettere dati fino a 10 Gbit/s, mentre modulatori con semiconduttori II-V superano 40 Gbit/s; si valuta di essere in grado di arrivare oltre il Tbit/s. Modulatori, rivelatori, correlatori, convolutori, filtri adattati, modulatori spaziali, solitoni spaziali e temporali sono tutti dispositivi e tecniche che permettono di utilizzare i fasci di luce. A queste tecniche si affiancano quelle che si avvalgono più estesamente delle tecnologie quantistiche. Due esempi importanti sono la crittografia quantistica (v.) e i computer quantistici (v.). Nel trattamento dei materiali, la lavorazione con i laser sta avendo un impatto crescente nell’ambito di tutte le tecnologie. I laser permettono di eseguire il taglio, la saldatura e la foratura di ogni tipo di materiali, dai metalli ai vetri, ceramiche, materiali plastici e tessuti. I laser di alta brillanza al femtosecondo e frequenze di ripetizione di qualche centinaio di hertz permettono di realizzare microtrattamenti ottici. Nel settore della chimica laser, molte applicazioni si basano sulla stretta banda spettrale di laser accordabili, che permette un’estrema selettività nell’interazione con atomi e molecole liberi. In altre applicazioni, l’alta intensità spettrale ottenibile in regime sia pulsato sia continuo può saturare transizioni ottiche o indurre un gran numero di effetti non lineari, come, per es., la ionizzazione multifotonica, permettendo di ottenere schemi di rivelazioni ultrasensibili. Infatti, la rilevazione di singoli atomi o molecole è largamente usata ed è la sensibilità limite in chimica analitica. Laser ultraveloci permettono un dettagliato monitoraggio temporale della dinamica di reazioni chimiche su scale temporali dell’ordine dei femtosecondi. La chimica con laser al femtosecondo (una branca che si occupa dei processi che avvengono in tempi brevissimi) permette di studiare il moto degli elettroni e delle molecole nei materiali e anche di progettare nuovi materiali mediante l’innesco ben temporizzato di reazioni chimiche molecolari. In particolare, composti come le medicine, delle quali si richiede la produzione di piccole quantità, possono essere prodotti economicamente. La spettroscopia molecolare laser permette di caratterizzare e analizzare ogni specie di prodotti biochimici. Diodi laser a semiconduttori, diventati accessibili e affidabili e con un intervallo spettrale esteso a frequenze sempre più alte nella regione visibile, sono disponibili nel blu e sono realizzati con GaN o conversione in frequenza. Nuovi materiali laser, come il titanio-zaffiro, permettono di costruire sorgenti accordabili. L’analisi a diagnostica laser può essere eseguita in situ in molti casi in modo non distruttivo; è possibile eseguire sondaggi chimici remoti studiando la radiazione retrodiffusa o la fluorescenza (LIDAR, Light detection and ranging). Le applicazioni della spettroscopia laser rappresentano un campo vastissimo della chimica analitica e vanno dallo studio dei processi di combustione, dell’atmosfera e del suo inquinamento (mediante LIDAR) al monitoraggio della vegetazione e alla diagnostica in medicina. La LIBS (Laser induced breakdown spectroscopy) produce un microplasma del campione prodotto con un solo impulso ed esegue analisi spettrale della luce emessa. L’impiego dei laser merita di essere segnalato nel campo dei beni culturali. Per applicazioni alla diagnostica si utilizza fluorescenza indotta da laser in cui un laser di bassa intensità produce un’emissione fluorescente le cui caratteristiche spettrali permettono di identificare materiali organici e inorganici come colori e vernici. La LIBS permette di analizzare lo spettro del materiale ionizzato o di asportare incrostazioni su metalli e pietre. Soltanto un decimo di nanogrammo di materiale per impulso è rimosso e la LIBS può dare risultati più selettivi e meno ambigui della fluorescenza indotta da laser. Per l’identificazione dei pigmenti si preferisce utilizzare la spettroscopia Raman. I laser hanno numerosi vantaggi rispetto alle tecniche abrasive o chimiche tradizionali usate nella conservazione dei beni culturali, in quanto possono essere selettivi e intervernire su aree molto piccole. Una delle aree della f. a maggiore crescita è inoltre quella delle applicazioni laser in medicna e biologia. In oculistica si sono avute le prime applicazioni per la fotocoagulazione, per saldare la retina in caso di distacco, per curare glaucomi, cataratte, per trattamento di tumori o per la sagomatura della cornea per cambiare il potere rifrattivo. Nell’ambito della diagnostica si usa la tomografia ottica. In chirurgia i laser, che sono cauterizzanti, permettono operazioni con minima invasività e perdite ematiche molto ridotte. I laser possono essere usati per la demolizione dei calcoli e per il trattamento delle arterie, oppure per il trattamento della pelle e la cura delle ulcere. Per la terapia viene impiegata la luce laser che attiva processi molecolari di prodotti immessi nell’organismo che si localizzano, per es., nei tumori al fine di distruggerli. La possibilità di guidare la luce con alta potenza in fibre sottili nel corpo permette tecniche con minima invasività. Strumenti per la manipolazione delle cellule, come gli optical tweezers (pinzette ottiche), i cell stretchers o i dissezionatori fotonici sono utilizzati per catturare celle specifiche dai tessuti per analisi o per iniettare molecole specifiche nelle cellule. I metodi di analisi fluorescenti hanno rimpiazzato quelli radioattivi. Il ruolo delle tecnologie ottiche nel campo biomedico sta nella capacita dei fotoni di monitorare biomateriali in tempo reale, senza contatto e senza alcun disturbo per i processi vitali. In aggiunta, l’uso della luce come sonda permette di monitorare un gran numero di caratteristiche simultaneamente e di studiare processi molto complessi, come, per es., le reazioni delle proteine nelle celle viventi, con la possibilità di rilevare anche singole molecole.